IEEE 1588的初步认识
以太网在1985年成为IEEE802.3标准后，在1995年将数据传输速度从10Mb/s提高到100Mb/s的过程中，计算机和网络业界也在致力于解决以太网的定时同步能力不足的问题，开发出一种软件方式的网络时间协议（NTP），提高各网络设备之间的定时同步能力。1992年NTP版本的同步准确度可以达到200μs，但是仍然不能满足测量仪器和工业控制所需的准确度。为了解决测量和控制应用的分布网络定时同步的需要，具有共同利益的信息技术、自动控制、人工智能、测试测量的工程技术人员在2000年底倡议成立网络精密时钟同步委员会，2001年中获得IEEE仪器和测量委员会美国标准技术研究所（NIST）的支持，该委员会起草的规范在2002年底获得IEEE标准委员会通过作为IEEE1588标准。
IEEE1588的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，IEEE1588标准的草案基础来自惠普公司的1990至1998年的有关成果，换句语说，安捷伦科技对IEEE1588标准作出重要贡献。安捷伦实验室的资深研究员John Eidson被网络业界视为专家，他的“IEEE1588在测试和测量系统的应用”，以及“IEEE1588：在测控和通信的应用”两篇论文对IEEE1588协议有精辟和全面的介绍。IEEE1588协议是通用的提升网络系统定时同步能力的规范，在起草过程中主要参考以太网来编制，使分布式通信网络能够具有严格的定时同步，并且应用于工业自动化系统。基本构思是通过硬件和软件将网络设备（客户机）的内时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10μs的运用，与未执行IEEE1588协议的以太网延迟时间1，000μs相比，整个网络的定时同步指标有显著的改善。
在这里简要说明IEEE1588的特点：
·早期的网络时间协议（NTP）只有软件，而IEEE1588既使用软件，亦同时使用硬件和软件配合，获得更精确的定时同步；
·GPIB总线没有同步时钟传送，依靠并行电缆和限制电缆长度（每器件距离）不超过5m来保证延迟小于30μs；
·GPIB的数据线与控制线是分开的，VXI和PXI两种总线分别在VME和PCI计算机总线上扩展，都要增加时钟线。IEEE1588无需额外的时钟线，仍然使用原来以太网的数据线传送时钟信号，使组网连接简化和降低成本；
·时钟振荡器随时间产生漂移，需要标准授时系统作校准，校准过程要缩短和安全可靠。目前常用的有GPS（全球定位系统）和IRIGB（国际通用时间格式码），IRIGB每秒发送一个帧脉冲和10MHz基准时钟，实现主控机/客户机的时钟同步。IEEE1588采用时间分布机制和时间调度概念，客户机可使用普通振荡器，通过软件调度与主控机的主时钟保持同步，过程简单可靠，节约大量时钟电缆；
·IEEE1588推出的时间尚短，还有待完善和修正。例如，对集线器和开关的透明网络可提供很好的定时同步，但还未克服装有路由器的带有不决定性的网络定时。目前正在设计和试产可测量引入延时和自动补偿延时的网络开关芯片。还有，IEEE1588完整芯片还未推出，只有FPGA基的代用芯片，Intel公司已声称尽快生产可支持奔腾处理器的IEEE1588完整芯片。
在工业自动化方面更早采用IEEE1588，发表的文章也比较多，特别是在自动控制和数据采集方面有所收获。专门供应网络时间服务器的Symmetricom公司介绍一种涡轮机控制系统，前端的各种传感器连接到数据采集板，板上安装的精确时钟通过IEEE1588协议的以太网与系统主时钟同步，使传感器的同步时间发生在1μs内，每秒钟内要执行200次测量，测量间隔5ms，传感器的轮换时间是1μs。控制系统内的多种测量仪器在时间对准后，按本地时钟捕捉数据和分析数据，清除了触发产生的延迟。这种利用IEEE1588协议的以太网数据采集系统，节省大量分别连接每个传感器的线缆，达到精确定时同步，便于远控测量，成本降低，已引起业界的重视。当前工业自动化使用IRIGB格式时间码，具有每天时间准确度小于1μs。应该看到，IEEE1588具有潜力，再将控制系统的每天时间准确度推进到100ns。原因在于IRIGB时间码要每秒发送1个时钟脉冲至每个测量设备，并且随该脉冲发送每天的时戳，而IEEE1588协议可直接将每天时间信息从主控时钟发送到客户时钟，更具有优势。从发展趋势来看，采用IEEE1588协议的以太网将在工业自动化系统中占有市场。
同样，采用IEEE1588协议 的以太网，解决了通用以太网延迟时间长和同步能力差的瓶颈，显然在测量仪器系统的应用中将发挥更大作用。事实上，以太网的仪器扩展接口LXI就是以采用IEEE1588协议的以太网作为骨干的仪器应用，再配备测量仪器系统所需的其它条件，组成吸收了GPIB到VXI和PXI的特点而构建的新一代测量仪器接口。
IEEE1588的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，IEEE1588标准的草案基础来自惠普公司的1990至1998年的有关成果，换句语说，安捷伦科技对IEEE1588标准作出重要贡献。安捷伦实验室的资深研究员John Eidson被网络业界视为专家，他的“IEEE1588在测试和测量系统的应用”，以及“IEEE1588：在测控和通信的应用”两篇论文对IEEE1588协议有精辟和全面的介绍。IEEE1588协议是通用的提升网络系统定时同步能力的规范，在起草过程中主要参考以太网来编制，使分布式通信网络能够具有严格的定时同步，并且应用于工业自动化系统。基本构思是通过硬件和软件将网络设备（客户机）的内时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10μs的运用，与未执行IEEE1588协议的以太网延迟时间1，000μs相比，整个网络的定时同步指标有显著的改善。
在这里简要说明IEEE1588的特点：
·早期的网络时间协议（NTP）只有软件，而IEEE1588既使用软件，亦同时使用硬件和软件配合，获得更精确的定时同步；
·GPIB总线没有同步时钟传送，依靠并行电缆和限制电缆长度（每器件距离）不超过5m来保证延迟小于30μs；
·GPIB的数据线与控制线是分开的，VXI和PXI两种总线分别在VME和PCI计算机总线上扩展，都要增加时钟线。IEEE1588无需额外的时钟线，仍然使用原来以太网的数据线传送时钟信号，使组网连接简化和降低成本；
·时钟振荡器随时间产生漂移，需要标准授时系统作校准，校准过程要缩短和安全可靠。目前常用的有GPS（全球定位系统）和IRIGB（国际通用时间格式码），IRIGB每秒发送一个帧脉冲和10MHz基准时钟，实现主控机/客户机的时钟同步。IEEE1588采用时间分布机制和时间调度概念，客户机可使用普通振荡器，通过软件调度与主控机的主时钟保持同步，过程简单可靠，节约大量时钟电缆；
·IEEE1588推出的时间尚短，还有待完善和修正。例如，对集线器和开关的透明网络可提供很好的定时同步，但还未克服装有路由器的带有不决定性的网络定时。目前正在设计和试产可测量引入延时和自动补偿延时的网络开关芯片。还有，IEEE1588完整芯片还未推出，只有FPGA基的代用芯片，Intel公司已声称尽快生产可支持奔腾处理器的IEEE1588完整芯片。
在工业自动化方面更早采用IEEE1588，发表的文章也比较多，特别是在自动控制和数据采集方面有所收获。专门供应网络时间服务器的Symmetricom公司介绍一种涡轮机控制系统，前端的各种传感器连接到数据采集板，板上安装的精确时钟通过IEEE1588协议的以太网与系统主时钟同步，使传感器的同步时间发生在1μs内，每秒钟内要执行200次测量，测量间隔5ms，传感器的轮换时间是1μs。控制系统内的多种测量仪器在时间对准后，按本地时钟捕捉数据和分析数据，清除了触发产生的延迟。这种利用IEEE1588协议的以太网数据采集系统，节省大量分别连接每个传感器的线缆，达到精确定时同步，便于远控测量，成本降低，已引起业界的重视。当前工业自动化使用IRIGB格式时间码，具有每天时间准确度小于1μs。应该看到，IEEE1588具有潜力，再将控制系统的每天时间准确度推进到100ns。原因在于IRIGB时间码要每秒发送1个时钟脉冲至每个测量设备，并且随该脉冲发送每天的时戳，而IEEE1588协议可直接将每天时间信息从主控时钟发送到客户时钟，更具有优势。从发展趋势来看，采用IEEE1588协议的以太网将在工业自动化系统中占有市场。
同样，采用IEEE1588协议 的以太网，解决了通用以太网延迟时间长和同步能力差的瓶颈，显然在测量仪器系统的应用中将发挥更大作用。事实上，以太网的仪器扩展接口LXI就是以采用IEEE1588协议的以太网作为骨干的仪器应用，再配备测量仪器系统所需的其它条件，组成吸收了GPIB到VXI和PXI的特点而构建的新一代测量仪器接口。
相关芯片：国半DP83640。
目前一些新的CPU比如MPC83XX系列的CPU已经支持IEEE1588协议。
美国国家半导体公司(National Semiconductor Corporation)宣布推出一款集成IEEE 1588准确时间协议(PTP)硬件支持功能的以太网收发器。这款型号为DP836?0的高精度PHYTER收发器可确保分布式网络上各节点能按照主机时钟的时间同步定时，并确保各节点之间的时间偏差不会超过8ns，因此适用于物体移动控制、测量仪表、数据采集及电子通信等设备。对于高性能的工厂自动化系统、测试和测量仪表以及无线通信基建设备来说，这种高精度的同步定时技术显得非常重要。
美国国家半导体的DP836?0高精度PHYTER收发器芯片内置高精度IEEE 1588时钟，并设有由硬件执行的时间标记功能，可为接收及发送的信息包印上时间标记。此外，这款芯片还有12条通用输入/输出引脚，专门负责处理同步发生的实时事件或不同的触发信号。DP836?0芯片可以连接任何微控制器、FPGA或内置以太网媒体接入控制器(MAC)的专用集成电路(ASIC)。
DP836?0芯片与现有的软件方案或专用的硬件装置不同，其特别之处是将IEEE 1588高精度时间协议(PTP)功能设于芯片的物理层之内，因此可以在最靠近网线的位置记录时间标记，而且分辨度达8ns，不但可为系统提供准确的高精度控制功能，也确保采集回来的数据出现最少的抖动。这款芯片预载4个时钟更新算法，用户可以利用任何一个算法调节电路板上的PTP时钟，而且偏差率不超过10亿分之一(即1ppb的准确度)。此外，这款芯片也内置频率可控的高频振荡器，因此用户可以预先选定频率，然后利用PTP时钟产生低抖动时钟输出。内置的收发器也可直接根据时间标记电路的时间及PTP时钟将各通用输入/输出调校至同步，以确保实时系统的每一单元都可保持同样高的准确度。
价格及供货
DP836?0收发器芯片采用48引脚的LQFP封装，已有样品供应，采购以1,000颗为单位，单颗价为5.24美元。
IEEE1588精密时钟同步分析
摘要：数据传输及处理的综合要求使局域网在测试与测量领域尽显
技术优势，新一代测试总线LXI应运而生。在现有以太网基础上开展测试与测量，首先需要解决的是实现不同终端设备之间的精密时钟同步，LXI采用IEEE1588。本文主要包含3个部分：IEEE1588同步元件的软硬件组成、精密时钟同步的实现及其精确度测试。关键词：LXIIEEE1588同步AnalysisofthePreciseTimeSynchronizationofIEEE1588HuangYunshui FengYuguangAbstract：Withtheimprovingrequirementofdatatransferringandcomplexprocessingintestandmeasurement,anovelLXIbusstandardcameintobeingaccordingly.TorealizenetworkedtestandmeasurementoncurrentEthernetnetwork,precisetimesynchronizationamongdifferentterminalsshouldbeachieved.Thisart
iclemainlyincludesthreeparts:hardwareandsoftwareformationofIEEE1588synchronizationdevices,implementationofprecisesynchronizationandaccuratetest.Keywords：LXI，IEEE1588，synchronization. 0引言测试与测量（TestandMeasurement，T&M）的发展以测试总线的发展为标志。测试总线从GPIB到VXI再到PXI，
测试仪器也由机架式发展到了插卡式。但是T&M对数据传输与处理综合要求的逐步提高使得这种发展已经远远不能满足人们的需求，于是以太网以其优秀的传输性能开始被广泛采用。人们开始在测试与测量系统中直接接入以太网，然后使用GPIB、VXI或者PXI总线连接仪器，达到向远程地点传输数据或者从远程地点接收命令的目的。去年9月，Agilent公司和VXI科技公司联合推出了LXI（LANbasedeXtensionsforInstruments），这是一种适用于测试系统的新一代基于LAN的模块化平台标准。LXI总线不受带宽、软件和计算机背板体系结构的限制，而且能利用日益增长的Ethernet吞吐能力。LXI是一种基于网络的仪器接口规范，为实现各种终端设备之间的同步控制，采用了以太网的精密时间协议（PrecisionTimeProtocol，PTP），即IEEE1588。IEEE1588定义了一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算和分配对象有关的精确同步时钟的协议（PTP）。下面介绍这种精密时钟协议的体系结构、工作原理以及它的精度分析。 1IEEE1588体系结构1.1关于精密时钟一个1588精密时钟（PTP）系统包括多个节点，每一个都代表一个时钟，时钟之间经由网络连接。按工作原理，时钟可以分为普通时钟和边界时钟两种。二者的区别是普通时钟只有一个PTP端口，而边界时钟包括多个PTP端口。在网络中，每一个时钟都可能处于下面3种状态：从属时钟（SLAVE）、主时钟（MASTER）和原主时钟（PASSIVE）。每个时钟所处的状态是根据最优化的时钟算法决定的，图2IEEE1588的三层结构这些状态随着网络构造的改变而改变。1.2PTP参考体系结构PTP体系结构的特别之处在于硬件部分与协议的分离，以及软件部分与协议的分离，因此，运行时对
处理器的要求很低。事实上，下面可以看到，PTP的体系结构是一种完全脱离操作系统的软件结构。PTP参考体系结构如图1所示。硬件单元由一个高度精确的实时时钟和一个用来产生时间印章的时间印章单元（TSU）组成。软件部分通过与实时时钟和硬件时间印章单元的联系来实现时钟同步。screen.width-333)this.width=screen.width-333"border=0>图1同步元件组成框图PTP这种体系结构的目的是为了支持一种完全脱离操作系统的软件组成模型，如图2所示。根据抽象程度的不同，PTP可分为3层结构：协议层、OS抽象层和OS层。协议层包含完成网络时钟同步的精密时钟协议，它能运用在不同的
通信元件中（如PC、集线器、路由器等）。协议层中使用的仅仅是ANSI/ISOC中的保角函数（ConformalFunctions），因此无需对不同平台的接口功能函数有很深的了解，就能很容易地移植该协议。协议层与OS抽象层之间的通信是通过一个序列和3个精确定义的接口实现的。OS抽象层包含了基于操作系统的功能函数，screen.width-333)this.width=screen.width-333"border=0>因此，这一层操作者必须掌握。这一层中包含PTP的3个通信接口：时间印章接口、时钟接口、端口接口。时间印章接口通过对Sync和DelayReq信号加盖时间印章来提供精密时钟协议，同时根据精度需要决定到底是硬件还是软件产生时间印章。产生“软件时间印章”的最好方法是依赖操作系统的NIC网络接口卡驱动，并且要在传输媒介中取得越近越好。通过时钟接口能够对本地时钟进行读和更改的操作，当然，这些操作是建立在熟知各类功能函数的基础上。该接口包含了与时钟同步质量（如精确度、稳定度等）密切相关的控制算法。端口接口用来分配/接收PTP信息。这种模块化的软件平台在Windows与Linux中的应用是通过软件中的时间印章实现的。纯粹的软件实现也能达到大约100μs的精确度，而且精确度很有可能达到小于10μs的精确度。1.3IEEE1588与集线器IEEE1588的精确度与所基于网络拓扑结构的偏移抖动（latencyjitter）密切相关。测量时，点对点连接能提供最高的精确度，而Hub的使用会产生网络抖动（jitter）。当负载很低或者根本没有负载时第二层集线器（Layer2switches）的处理时间很短，一般是2μs~10μs外加信息包接收时间。但是，集线器是以序列的方式处理和储存数据，采取“存储－转发”方式进行数据交换的。因此仅仅一个序列的最大长度信息包就会给下面的信息包造成大约122μs的延迟，而且在高负载条件下，往往不止存在一个序列。该协议的精确度的第二个问题是，（在下面的分析中可以看出）当考虑偏移（latency）的时候假设从主时钟到从属时钟以及从从属时钟到主时钟是完全对称的，很显然，在较高的网络负载中这一点几乎是无法保证的。IEEE802.2D/p信息包的优先权（Prioritization）根本无法真正解决上述问题。因为在这种协议中，至少在同步信息包的前面必须有一个长信息包，因此，在传输的过程中就会产生122μs的抖动，而且一般在优先程序（priorityscheduler）后面会存在一个有2到8个信息包的序列，而且还可能不止一个序列，这就意味着在重负载的条件下，将会存在360μs到1ms的抖动。这个问题的解决方法是在集线器中使用IEEE1588边界时钟。这样就只存在点对点连接，在主时钟和从属时钟之间几乎不存在抖动，而且，集线器内部序列的延迟（抖动）（delay/jitter）也不会有任何关系了。在本文精度测试的试验中就是接入了边界时钟后进行的测试，如图3所示。screen.width-333)this.width=screen.width-333"border=0>图3边界时钟的使用2IEEE1588的时间同步实现同步过程分为两个阶段：偏移测量阶段和延迟测量阶段。2.1偏移测量偏移测量阶段用来修正主时钟和从属时钟的时间差。在这个偏移修正过程中，主时钟周期性发出一个确定的同步信息（简称Sync信息）（一般为每两秒一次），它包含了一个时间印章（timestamp），精确地描述了数据包发出的预计时间。如图4所示，假设同步之前主时钟的时间为Tm=1050s,而从属时钟的时间为Ts=1000s。主时钟测量出发送的准确时间TM1，而从属时钟测量出接收的准确时间TS1。由于信息包含的是预计的发出时间而不是真实的发出时间，所以主时钟在Sync信息发出后发出一个Follow_Up信息，该信息加了一个时间印章，准确地记载了Sync信息的真实发出时间TM1。这样一来，从属时钟使用Follow_Up信息中的真实发出时间和接收方的真实接收时间，可以计算出从属时钟与主时钟之间的偏移（offset）：screen.width-333)this.width=screen.width-333"border=0>图4偏移测量Offset=TS1－TM1－Delay这里要说明的是，上式中的Delay指的是主时钟与从属时钟之间的传输延迟时间，它将在下面的测量阶段测出，所以在这里是未知的，从偏移测量阶段就提供了一个修正时间（AdjustTime），将从属时钟修正为：AdjustTime＝Ts－Offset2.2延迟测量延迟测量（delaymeasurement）阶段用来测量网络传输造成的延迟时间。为了测量网络的传输延时，IEEE1588定义了一个延迟请求信息包（DelayRequestPacket）,简称Delay_Req。screen.width-333)this.width=screen.width-333"border=0>图5延迟测量如图5所示，从属时钟在收到Sync信息后在TS3时刻发出延迟请求信息包Delay_Req，主时钟收到Delay_Req后在延迟响应信息包（DelayRequestPacket，Delay_Resp）印章出准确的接收时间TM3，并发送给从属时钟，因此从属时钟就可以非常准确地计算出网络延时：TM2→TS2：Delay1=TS2－（TM2+Offset）TS3→TM3：Delay2=（TM3+Offset）－TS3因为网络延迟时间是对称相等的，所以：Delay＝Delay1+Delay22与偏移测量阶段不同的是，延迟测量阶段的延迟请求信息包是随机发出的，并没有时间限制。需要说明的是，在这个测量过程中，假设传输介质是对称均匀的。2.3同步实现如图5所示，经过同步信息的交换，从属时钟与主时钟实现了精确同步。3精确度测试为保证测试结果能够最大限度地接近工程应用的实际情况，使主时钟和从属时钟之间的偏离数据具有说服力，在精确度测试中接入一个以太网信息包发生器加重网络负载，测试系统连接如图6所示。主时钟和从属时钟的PPS（PlusPerSecond）输出连接到示波器，通过示波器就能非常清楚地测量出两个信号之间的偏离，而且还可以描绘出这种偏离的频率分布情况。这次测量前后用时84个小时，图7是示波器的显示值。从图7可以看出,最大抖动条件下的同步精确度落在±100ns内，显示的是纳秒级的主时钟和从属时钟之间偏移值的频率分布，标准偏离达到23.95ns，平均值是-4.248ns。screen.width-333)this.width=screen.width-333"border=0>图6测试系统的组成screen.width-333)this.width=screen.width-333"border=0>图7测试示波器显示图4结束语精密时钟协议将IEEE1588标准化达到亚微妙范围内的同步精确度，而且还存在提高精确度的潜力。它适用于那些需要实现最高精确度分布时钟的时间同步的有限网络领域。为使集线器以太网网络达到高精确度，建议装备具有IEEE1588技术的集线器。参考文献/[1/]JohnC.Eidson,TheApplicationofIEEE1588toTestandMeasurementSystems,2005,1/[2/]DirkS.Mohl，IEEE1588PreciseTimeSynchronizationastheBasisforRealTimeApplicationsinAutomation，2003/[3/]吴国新,吉逸.计算机网络.2003，12/[4/]LANeXtensionsforInstrumentation,http://www.lxistandard.org//[5/]IEEEInstrumentationandMeasurementSociety,1588IEEEStandardforaPrecisionClockSynchronizationProtocolforNetworkedMeasurementandControlSystems，IEEE,2002/[6/]F.Cristian,"Aprobabilisticapproachtodistributedclocksynchronization,"DistributedComputing,vol.3,1989pp.146-158/[7/]IEEE1588ClockSynchronizationProtocol，http://ieee1588.nist,gov/[8/]IEEE802.11LAN/MAN:WirelessLANMediumAccess(MAC)andPhysicalLayer(PHY)Specifications,1999